基于發那科機器人的熱熔緊固系統及其加工工藝

張坤峰， 陳炎欽， 倪偉峰

上海發那科機器人有限公司 上海 201906

1 研究背景

隨著汽車工業制造技術的升級與革新，越來越多的汽車品牌開始關注汽車車身輕量化問題。車身中高強度輕質材料的使用比例正不斷增大［1］，這些輕質材料的使用，對連接工藝提出了更高的要求［2］，目前主流的連接工藝，如焊接、鉚接、電阻點焊等已不能完全滿足生產需求［3-4］。

熱熔緊固是一種可代替電阻點焊的先進連接工藝，在連接強度、加工能力、可拆卸性等方面具有巨大優勢，可滿足汽車輕量化和新能源汽車對連接工藝日益增長的要求［5］。目前，熱熔緊固工藝在歐美汽車行業解決車身輕量化領域得到了廣泛應用，如捷豹X150、奧迪A8、奧迪A6等品牌，其中新款奧迪A8上有多達740個熱熔螺釘。除此之外，日產、寶馬、保時捷等眾多汽車品牌也開始使用熱熔緊固工藝。配合機器人的高靈活性，熱熔緊固技術在汽車裝配連接中展現出巨大優勢，將成為國內汽車車身輕量化裝配及綠色節能領域非常重要的解決方案之一［6］。

2 系統組成

發那科機器人系統由R-2000i C／270F工業機器人、R-30i B控制柜、通信軟件、控制程序等組成。熱熔緊固系統由控制器、擰緊頭、送釘器、送釘管等組成［7］。基于發那科機器人的熱熔緊固系統，可實現對各類不同類型鈑金件的緊固連接，并確保過程可靠性。例如，汽車白車身連接采用該系統，可以完成鋁件與鋁件、鋁件與鋼件的緊固連接，從而實現車身輕量化。圖1所示為基于發那科機器人的熱熔緊固系統構成。

3 系統控制原理

系統控制原理如圖2所示。根據系統功能需求、外部信號數量、內存等因素，系統控制柜選用了西門子S7-300可編程序控制器進行系統控制，機器人和熱熔緊固控制器之間通過可編程序控制器基于Profinet總線進行通信和信號交互。機器人將控制命令發送給可編程序控制器，由可編程序控制器控制熱熔緊固控制器。熱熔緊固控制器通過內部總線控制送釘器和電磁閥，將釘子送到擰緊頭。之后熱熔緊固控制器通過Ether CAT總線控制擰緊頭中的下壓電機和擰緊電機進行伺服擰緊。在擰緊的同時，熱熔緊固控制器通過內部閉環實時控制擰緊過程，并將完成信號反饋到可編程序控制器和機器人。

圖1 基于發那科機器人的熱熔緊固系統構成

圖2 系統控制原理

4 熱熔緊固工藝概述

4.1 原理

如圖3所示，在緊固過程開始時，熱熔螺釘預先通過送釘管送至鋁板或薄鋼板的表面，然后螺釘在高速旋轉的同時向工件表面施加高下壓力，產生極高的摩擦熱，熔化金屬。接著螺釘穿透材料，形成穿孔，并開始攻絲。一旦螺紋形成，螺釘會按照預設的扭矩進行擰緊，并達到預設的轉角［8］。

圖3 熱熔緊固工藝原理

4.2 特點

針對汽車白車身鈑金件的連接裝配，熱熔緊固工藝具有以下特點：① 可實現單工作方向的應用需求，從單側即可完成緊固連接；② 連接材料無需預沖孔；③ 可連接不同材料和厚度的鈑金件，以及連接包括碳鋼、鋁合金、復合材料在內的同種材料或異種材料；④ 螺釘可拆卸性好；⑤ 連接的動態疲勞強度高，無需增加防松件，并且可通過對擰緊參數的數據監測，對擰緊質量進行評估［9］。熱熔緊固工藝與汽車車身常見連接工藝特點對比見表1，表1中“○”代表具有，“—”代表不具有。

表1 汽車車身連接工藝特點對比

5 緊固性能分析

對于熱熔緊固的緊固性能，可以從兩個方面進行分析：① 緊固外觀及斷面成型情況；② 拉伸剪切強度測試及數據分析。

5.1 緊固外觀及斷面成型

可以從外觀對緊固性能進行初步判斷，如圖4所示，主要觀察螺釘帽是否與工件緊密貼合，工件是否存在彎曲變形等。另外，可以切割一個打釘的剖面來觀察斷面成型情況，如圖5所示。主要觀察上部擠出板料是否嵌入螺帽凹槽，下部擠出板料是否夾緊螺帽，形成缺口，以及螺紋成型情況等。

圖4 緊固外觀

圖5 斷面成型

5.2 拉伸剪切強度測試

拉伸剪切強度測試是靜強度分析中最基本的測試，也是研究板料連接接頭質量最重要的測試類型之一［10］。可以使用拉伸剪切強度測試來檢驗熱熔緊固的緊固性能，圖6所示為熱熔緊固連接的兩種拉伸剪切強度測試模型。表2列舉了熱熔緊固、自沖鉚接、電阻點焊三種連接工藝的鋁板連接拉剪力［11-12］，其中板厚1-2表示1 mm厚鋁板與2 mm厚鋁板連接，后文同。

圖6 拉伸剪切強度測試模型

6 熱熔緊固工藝測試分析

6.1 試驗平臺

測試基于發那科R-2000i C／270F工業機器人、DEPRAG熱熔緊固設備、阿諾德Flowfor m M5×22 mm螺釘進行。鋁板材料為5系鋁合金，鋼板材料為Q235碳鋼，板厚誤差為±0.05 mm。

表2 常見連接工藝拉剪力對比

筆者共測試6種鋁板與鋁板組合、4種鋼板與鋼板組合、5種鋁板與鋼板組合，其中，鋁板與鋁板組合中要求總厚度不超過6 mm，鋼板與鋼板、鋁板與鋼板組合中要求鋼板厚度不超過3 mm，總厚度不超過5 mm，否則容易出現連接工藝缺陷。

試驗平臺如圖7所示。

圖7 試驗平臺

6.2 數據分析

熱熔緊固工藝分為五個過程：擰緊軸預到達、擰緊軸與螺釘嚙合、穿孔、攻絲、擰緊，其中，前兩個過程的工藝參數可適用于所有的板厚組合，后三個過程的工藝參數則需要根據連接工件的材料、厚度、強度及熱傳導等影響因素進行合理選擇。表3為1 mm厚鋁板與2 mm厚鋁板組合的工藝參數。

由于工藝參數過多，可選取后三個工藝過程中較為關鍵的幾個工藝參數進行分析。工藝測試結果如圖8～圖10所示。圖10中AT代表鋁板，ST代表鋼板。

圖8中，通過對鋁板與鋁板組合工藝參數進行分析，可以發現隨著板厚的增大，三個工藝過程的扭矩也相應增大，最大設定值為15 N·m。穿孔過程轉速逐漸降低，但絕對值仍較大，高于5 000 r／min。攻絲過程轉速逐漸提高，但絕對值不超過3 000 r／min，防止螺紋成型不良。擰緊過程轉速不超過400 r／min，防止滑牙。

圖8 鋁板與鋁板組合工藝參數

圖9 鋼板與鋼板組合工藝參數

表3 1 mm厚鋁板與2 mm厚鋁板組合工藝參數

圖10 鋁板與鋼板組合工藝參數

圖9 中，通過對鋼板與鋼板組合工藝參數進行分析，可以發現隨著板厚的增大，三個工藝過程的扭矩也相應增大，最大設定值為15 N·m，連接所需的扭矩大于相應板厚的鋁板與鋁板組合工藝參數。穿孔過程轉速逐漸降低，但由于鋼板硬度較大，要求轉速低于3 000 r／min。攻絲過程轉速逐漸提高，但需低于2 000 r／min，防止螺紋成型不良。擰緊過程轉速不超過400 r／min，防止滑牙。

圖10中，通過對鋁板與鋼板組合工藝參數進行分析，可以發現隨著板厚的增大，三個工藝過程的扭矩也相應增大，最大設定值為15 N·m，連接所需的扭矩處于相應板厚的鋁板與鋁板組合工藝參數和鋼板與鋼板組合工藝參數之間。穿孔過程轉速逐漸降低，但由于鋼板硬度較大，要求轉速低于3 000 r／min。攻絲過程轉速逐漸提高，但需低于2 000 r／min，防止螺紋成型不良。擰緊過程轉速不超過400 r／min，防止滑牙。

7 結語

常見的傳統連接工藝已經不能完全滿足汽車車身輕量化目標對連接工藝提出的更高要求。隨著機器人技術的日益成熟，基于發那科機器人的熱熔緊固系統在鋁合金及鋼鋁混合材料的連接方面表現出優勢和強勁的競爭力，必將有更多的汽車廠家引進這一技術進行汽車白車身的緊固連接。這一技術未來可以成為國內汽車車身輕量化裝配及綠色節能領域非常重要的解決方案。